In marine environments, acoustic wave propagation is determined by sound-speed variations in the water column (related to salinity, temperature and pressure) , and seafloor properties in shallow environments. The refraction index variations and the boundary conditions guide the wave propagation so that an important amount of acoustic energy can propagate over long distances. Measurements of acoustic transmissions coupled with propagation models can be inverted to infer the water column properties (tomography) and the seafloor and subseafloor properties (geoacoustics). In this thesis a new method for shallow water inversion based on the sequential assimilation of acoustic measurements in Kalman filters is developed. Filtering algorithms for nonlinear systems, as the ensemble Kalman filter (EnKF), enable the integration of complex acoustic propagation models in the measurement model. The inverse problem is here reformulated into a state-space model to track sequentially the parameters (temperature, receiver positions, etc.) and their uncertainty by filtering regularly new acoustic data. Different applications are proposed to demonstrate the sequential acoustic filtering approach. First, the problem of characterizing horizontal inhomogeneities in the sound-speed field between an acoustic source and a vertical array of receivers is addressed. Starting from a range-averaged sound-speed profile, the filtering of complex multifrequency data enables the estimate and tracking of the range-dependence of the sound-speed field. The second application deals with the geoacoustic inversion problem based on a mobile source-receiver setup. The filtering approach is shown to provide more stable results than conventional inversion methods with a reduced computational burden. The last application is dedicated to the tracking of specific oceanic structures affecting the sound-speed field, here thermal fronts. An original parameterization scheme which is specific to the tracked feature is developed and enables to monitor the principal characteristics of the sound-speed field by filtering multifrequency acoustic data. This work shows that the sequential filtering approach of transmitted acoustic data can lead to environmental estimates on spatial and temporal scale of interest for regional or coastal oceanographic models and can supplement the dataset assimilated nowadays for forecasting purposes./Dans les environnements marins, la propagation des ondes acoustiques est directement conditionnée par les variations de vitesse de propagation dans l'eau (liée à la température, la salinité et la pression hydrostatique), ainsi que les propriétés du fond, lorsque le milieu est peu profond. La propagation de ces ondes, typiquement guidée par les variations d'indice de réfraction et les conditions aux limites, permet de transmettre une quantité d'énergie acoustique importante sur de longues distances. Associées à des modèles de propagation, des mesures de transmission acoustique peuvent être inversées afin de déterminer les propriétés de l'environnement sondé, que ce soit de la colonne d'eau (tomographie) ou du fond marin (géoacoustique). Dans cette thèse, une nouvelle méthode d'inversion en milieu peu profond, basée sur l'assimilation séquentielle de mesures acoustiques dans des filtres de Kalman, est développée. Les algorithmes de filtrage développés pour les systèmes non linéaires, tel que l'ensemble Kalman filter (EnKF), permettent d'intégrer des modèles de propagation acoustique complexes au sein du modèle de mesure. Le problème inverse est reformulé de façon séquentielle, en un modèle d'espace d'états, de sorte que l'évolution des paramètres (température, positions des récepteurs, etc.) et de leur incertitude est suivie au fur et à mesure de l'assimilation de nouvelles mesures. Différentes applications sont proposées pour démontrer les performances du filtrage séquentiel. Le premier problème abordé est celui de l'inversion et du suivi des inhomogénéités horizontales du champ de vitesse entre une source acoustique et une antenne verticale de récepteurs. A partir d'un profil de vitesse moyen sur la distance source-récepteurs, le filtrage de mesures complexes multi-fréquences permet d'estimer la dépendance horizontale du champ de vitesse et son évolution au cours du temps. La nature séquentielle de l'algorithme de filtrage motive la seconde application, dédiée à l'estimation des paramètres géoacoustiques d'un environnement à partir d'une configuration source-récepteur mobile. Les résultats démontrent que l'approche par filtrage permet d'obtenir des estimations géoacoustiques plus stables que celles obtenues par les méthodes d'inversion conventionnelles avec un coût de calcul réduit. La troisième et dernière application est dédiée au suivi de structures océaniques marquées, tels que les fronts thermiques. Une paramétrisation originale spécifique à la structure inversée est proposée et permet d'estimer et de suivre les caractéristiques principales du champ de température par filtrage de données acoustiques multi-fréquences. Ce travail montre que l'approche séquentielle de l'inversion des données acoustiques peut mener à des estimations environnementales sur des échelles spatiales et temporelles d'intérêt pour les modèles océanographiques côtiers et régionaux, de façon à compléter les données assimilées quotidiennement pour les prédictions.

Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2001. / Titre de l'écran-titre (visionné le 17 juillet 2006). Publié aussi en version papier.

L’objet de cette thèse est la synthèse et la caractérisation de nouveaux filtres UV inorganiques nanostructurés, efficaces dans le domaine des UVA. Dans ce contexte, nous avons choisi d’étudier le dioxyde de cérium (CeO2) et l’hématite (α-Fe2O3) en raison notamment de leurs propriétés optiques d’absorption des UV. Deux méthodes de synthèse ont été sélectionnées pour l’élaboration de ces oxydes, purs ou dopés, sous la forme de poudre nanométrique: la co-précipitation et le spray-pyrolyse. Les conditions optimales de synthèse ont été déterminées grâce à de la diffraction des rayons X et de l’analyse thermique. La structure cristalline ainsi que la granulométrie des échantillons obtenus ont été caractérisées par diffraction des rayons X et microscopies électroniques. La granulométrie et la morphologie des échantillons sont reliées aux méthodes de synthèse, aux conditions opératoires (atmosphère et température de calcination), à la nature et à la concentration des éléments dopants. Les propriétés optiques des échantillons suspendus dans de l’éthanol ont été étudiées par spectroscopie d’absorption UV-visible. Elles sont reliées à la granulométrie des échantillons ainsi qu’à des phénomènes localisés au sein de la maille cristallographique (changements de valence, présence de défauts). Les échantillons à base de CeO2 et α-Fe2O3 ont finalement été incorporés en émulsion solaire, à la place de ZnO, afin de tester leurs performances anti-solaires (SPF et FP-UVA) par mesure in vitro. Les résultats montrent que le ZnO peut être positivement remplacé dans les produits de protection solaire par l’oxyde de cérium ou de fer qu’ils soient purs ou dopés. / The subject of this thesis is the synthesis and the characterization of new UVA-efficient nanostructured inorganic UV filters. In this context, we chose to study cerium dioxide (CeO2) and hematite (α-Fe2O3), most importantly because of their optical absorption properties. Two methods were selected to synthesise cerium dioxide and hematite in nanostructured powder form: the co-precipitation method and the spray-pyrolysis method. Cerium dioxide was studied in both non-doped and doped forms. Optimal synthesis conditions were determined by X-ray diffraction and thermal analysis. The crystalline structure and granulometry of the obtained samples were characterised by X-ray diffraction and electronic microscopy techniques. Granulometry and morphology of the samples are linked to: the synthesis method, the experimental conditions (atmosphere and temperature of calcinations), and the nature and concentrations of the dopes. The optical properties of ethanol suspended samples were studied by UV-visible absorption spectroscopy. They are linked to the samples’granulometry as well as localised phenomena in the crystallographic lattice (valence changes, defects presence). Cerium dioxide- and hematite-based samples were finally incorporated in emulsion, instead of ZnO, in order to test their photoprotection performance (SPF and PF-UVA) by measuring in vitro. Results show that ZnO can be positively replaced by pure or doped cerium or iron oxide in sunscreen, when these are associated with the inorganic filter TiO2.

Ces travaux se focalisent sur une problématique fondamentale de la robotique autonome: l'estimation d'état. En effet, la plupart des approches actuelles permettant à un robot autonome de réaliser une tâche requièrent tout d'abord l'extraction d'une information d'état à partir de mesures capteurs bruitées. Ce vecteur d'état contient un ensemble de variables caractérisant le système à un instant t, comme la position du robot, sa vitesse, etc. En robotique comme dans de nombreux autres domaines, le filtrage bayésien est devenu la solution la plus populaire pour estimer l'état d'un système de façon robuste et à haute fréquence. Le succès du filtrage bayésien réside dans sa relative simplicité, que ce soit dans la mise en oeuvre des équations récursives de filtrage, ou encore dans la représentation simplifiée et intuitive du système au travers du modèle de Markov caché d'ordre 1. Généralement, un filtre bayésien repose sur une description minimaliste de l'état du système. Cette représentation simplifiée permet de conserver un temps d'exécution réduit, mais est également la conséquence de notre compréhension partielle du fonctionnement du système physique. Tous les aspects inconnus ou non modélisés du système sont ensuite représentés de façon globale par l'adjonction de composantes de bruit. Si ces composantes de bruit constituent une représentation simple et unifiée des aspects non modélisés du système, il reste néanmoins difficile de trouver des paramètres de bruit qui sont pertinents dans tous les contextes. En effet, à l'opposé de ce principe de modélisation, la problématique de navigation autonome pose le problème de la multiplicité d'environnements différents pour lesquels il est nécessaire de s'adapter intelligemment. Cette problématique nous amène donc à réviser la modélisation des aspects inconnus du systèmes sous forme de bruits stationnaires, et requiert l'introduction d'une information de contexte au sein du processus de filtrage. Dans ce cadre, ces travaux se focalisent spécifiquement sur l'amélioration du modèle état-observation sous-jacent au filtre bayésien afin de le doter de capacités d'adaptation vis-à-vis des perturbations contextuelles modifiant les performances capteurs. L'objectif principal est donc ici de trouver l'équilibre entre complexité du modèle et modélisation précise des phénomènes physiques représentés au travers d'une information de contexte. Nous établissons cet équilibre en modifiant le modèle état-observation afin de compenser les hypothèses simplistes de bruit stationnaire tout en continuant de bénéficier du faible temps de calcul requis par les équations récursives. Dans un premier temps, nous définissons une information de contexte basée sur un ensemble de mesures capteurs brutes, sans chercher à identifier précisément la typologie réelle de contextes de navigation. Toujours au sein du formalisme bayésien, nous exploitons des méthodes d'apprentissage statistique pour identifier une distribution d'observation non stationnaire et dépendante du contexte. cette distribution repose sur l'introduction de deux nouvelles composantes: un modèle destiné à prédire le bruit d'observation pour chaque capteur, et un modèle permettant de sélectionner un sous-ensemble de mesures à chaque itération du filtre. Nos investigations concernent également l'impact des méthodes d'apprentissage: dans le contexte historique du filtrage bayésien, le modèle état-observation est traditionnellement appris de manière générative, c'est à dire de manière à expliquer au mieux les paires état-observation contenues dans les données d'apprentissage. Cette méthode est ici remise en cause puisque, bien que fondamentalement génératif, le modèle état-observation est uniquement exploité au travers des équations de filtrage, et ses capacités génératives ne sont donc jamais utilisées[...] / Prevalent approaches for endowing robots with autonomous navigation capabilities require the estimation of a system state representation based on sensor noisy information. This system state usually depicts a set of dynamic variables such as the position, velocity and orientation required for the robot to achieve a task. In robotics, and in many other contexts, research efforts on state estimation converged towards the popular Bayes filter. The primary reason for the success of Bayes filtering is its simplicity, from the mathematical tools required by the recursive filtering equations, to the light and intuitive system representation provided by the underlying Hidden Markov Model. Recursive filtering also provides the most common and reliable method for real-time state estimation thanks to its computational efficiency. To keep low computational complexity, but also because real physical systems are not perfectly understood, and hence never faithfully represented by a model, Bayes filters usually rely on a minimum system state representation. Any unmodeled or unknown aspect of the system is then encompassed within additional noise terms. On the other hand, autonomous navigation requires robustness and adaptation capabilities regarding changing environments. This creates the need for introducing contextual awareness within the filtering process. In this thesis, we specifically focus on enhancing state estimation models for dealing with context-dependent sensor performance alterations. The issue is then to establish a practical balance between computational complexity and realistic modelling of the system through the introduction of contextual information. We investigate on achieving this balance by extending the classical Bayes filter in order to compensate for the optimistic assumptions made by modeling the system through time-homogeneous distributions, while still benefiting from the recursive filtering computational efficiency. Based on raw data provided by a set of sensors and any relevant information, we start by introducing a new context variable, while never trying to characterize a concrete context typology. Within the Bayesian framework, machine learning techniques are then used in order to automatically define a context-dependent time-heterogeneous observation distribution by introducing two additional models: a model providing observation noise predictions and a model providing observation selection rules.The investigation also concerns the impact of the training method we choose. In the context of Bayesian filtering, the model we exploit is usually trained in the generative manner. Thus, optimal parameters are those that allow the model to explain at best the data observed in the training set. On the other hand, discriminative training can implicitly help in compensating for mismodeled aspects of the system, by optimizing the model parameters with respect to the ultimate system performance, the estimate accuracy. Going deeper in the discussion, we also analyse how the training method changes the meaning of the model, and how we can properly exploit this property. Throughout the manuscript, results obtained with simulated and representative real data are presented and analysed.

L'objectif de ce travail fut de concevoir des filtres accordables dans le domaine RF/microondes. Après avoir dressé un état de l'art du filtrage accordable microonde et défini des facteurs de mérite permettant de comparer ces types de dispositifs, trois topologies de filtres ont ensuite été proposées. Ces filtres sont basés sur des structures périodiques planaires constituées de lignes de propagation et de capacités chargeant ces lignes. Pour les trois études présentées, des modélisations semi-réparties de ces structures ont été effectuées, modélisations analytiques prenant en considération un modèle réparti des lignes de propagation et un modèle localisé des capacités considérées. Des règles de conception simples ont alors été déduites. Des filtres fixes et accordables ont pu être conçus à partir de ces méthodes de conception puis réalisés en technologie coplanaire hybride. L'accord de la fréquence de fonctionnement et/ou de la bande passante de ces filtres est réalisé par l'intermédiaire de varactors chargeant les lignes de propagation, les varactors que nous avons utilisés étant du type jonctions semiconductrices polarisées en inverse présentant des facteurs de qualité acceptables aux fréquences de travail considérées pour nos prototypes (entre 0,5 et 9 GHz). Les mesures des prototypes réalisés ont ensuite permis de valider les études théoriques proposées.

Les limites de rejets deviennent de plus en plus strictes pour les petites collectivités et les zones sensibles à l’eutrophisation. L’objectif est de mettre en conformité les collectivités au titre des nouvelles obligations (jusqu’au 15 mgNGL.L⁻¹ et 2 mgPtot.L⁻¹) avec une attention particulière sur l’amélioration du traitement des eaux usées des petites collectivités (< 2000 EH).En France, l'utilisation de stations d’épuration par filtres plantés de roseaux (FPR) pour traiter les effluents domestiques de petites communautés (< 2 000 EH) a suivi une augmentation exponentielle au cours des dernières années. La filière de FPR classique permet de bonnes performances épuratoires en termes de MES, DCO et TKN, néanmoins ce procédé présente de faibles taux de dénitrification (NGL) et d'élimination du phosphore (PTOT).L’objectif de ce travail de thèse a été de développer des solutions innovantes pour le traitement des eaux usées domestiques pour les petites collectivités < 2000 EH en utilisant différentes voies d’intensifications et de combinaison de procédés. Une approche intégrée a été suivie avec des expériences en laboratoire, et une étude sur pilotes en conditions réelles pendant 26 mois. Une comparaison des résultats obtenus sur les pilotes avec des résultats obtenus sur des démonstrateurs de pleine échelle a également été effectuée.L’utilisation de zéolite a permis d’améliorer les performances par l’adsorption de NH4-N, avec des concentrations inférieures à 15 mg.L⁻¹ en été, dans une configuration plus profonde des filtres (95 cm) avec de dispositifs d’aération passive. Cependant, des fluctuations ont été observées à baisses températures.Une configuration basée sur la combinaison de conditions non saturées – saturés pour favoriser la pour l’élimination de NGL a été évaluée. De la même façon, la zéolite a permis d’améliorer l’élimination de NH₄-N et favoriser la nitrification. Les concentrations en sortie ont été de 40 et 52 mgNGL.L⁻¹ pour le filtre de zéolite et gravier respectivement.L'utilisation de la recirculation à pleine échelle a permis d'améliorer les performances dans un seul étage non saturé/saturé. Ces résultats sont toutefois préliminaires dans la mesure où ces stations sont en période de démarrage et de maturation et que peu de Bilan 24h étaient disponibles, ce qui rend difficile la comparaison avec les pilotes. / Discharge limits are becoming increasingly stringent for small communities and sensitive eutrophication areas. The objective is to established new community obligations by setting environmental quality targets (up to 15 mgNGL.L⁻¹ and 2 mgPtot.L⁻¹) especially to the improvement of wastewater treatment in small communities (<2000 p.e). In France, the use of Treatment Wetlands to treat domestic wastewater from small communities (<2 000 p.e.) has increased exponentially in recent years. The classical Vertical Flow Treatment Wetland (VFTW) enable very good performances removal in terms of TSS, COD and TKN, nevertheless denitrification (TN) and phosphorus removal (Ptot) are limited. The aim of this work was to develop innovative solutions, allowing the reduction of the footprint and the improvement of the classical French VFTW in terms of nitrogen (N) removal. An integrated approach was followed with pilot scale experiments and full scale systems using real wastewater during 26 months. A comparison between results of pilots and full-scale was also carried out.The use of zeolite allowed to improve the performances by the adsorption of NH₄-N, with lower concentrations in summer (15 mg.L⁻¹), using a compact filter (95 cm) with passive aeration pipes. However, fluctuations were observed at low temperatures decreasing the removal performances.Similarly, a configuration based on the combination of unsaturated-saturated conditions for NGL removal was evaluated. The zeolite was used in the unsaturated layer to improve the NH₄-N removal and nitrification. Indeed, it has been observed that the zeolite improves the purifying performance compared to a filter filled only with gravel. The outlet concentrations were 40 and 52 mgNGL.L⁻¹ for zeolite and gravel filters respectively.The use of recirculation in full scale systems has improved removal performances in unsaturated / saturated single stage. However, these are preliminary results as these stations are in the start-up and maturation period, few 24 h samples were available, which makes the comparison difficult.

Les travaux de cette thèse ont pour objectif la conception de dispositifs multifonctions (filtre-antennes) à la fois compacts et agiles, mis au point par une conception conjointe des éléments associés. Le sous-système doit répondre à des spécifications électriques pour des applications dans la bande ISM à 2,45 GHz ainsi qu’à des contraintes d’intégration et d’encombrement. L’antenne et le filtre sont développés conjointement sur une impédance particulière où l’antenne, réduite en dimensions, présente une efficacité de rayonnement optimale. Le filtre est optimisé pour adapter l’antenne sur son impédance optimale et pour présenter des pertes minimales. Les travaux se sont focalisés dans un premier temps sur la co-conception et la co-intégration des fonctions, puis sur l’accord en fréquence du sous-système. / The aim of this thesis is to design a new tunable and compact multifunctional device (filters, antennas) based on the co-design of an antenna and the associated filter. The subsystem needs to fit with electrical specifications for ISM band applications at 2.45GHz while being integrated and compact. The antenna and the filter are jointly developed on particular impedances where the antenna has a high radiation efficiency. The filter is optimized to adapt the antenna on its optimal impedance and introduce minimal losses. The work has initially been focused on the co-design and the co-integration of functions to finish on the tunability of the filter/antenna subsystem design.

L'augmentation exponentielle de la quantité d'information à transmettre afin d'assurer les télécommunications futures amène à rechercher de nouvelles voies pour faire face à ces nouveaux besoins. L'optique peut, pour suppléer aux systèmes électroniques essoufflés, répondre à ces défis naissant en autorisant le multiplexage en longueur d'onde (WDM). Celui ci permet non seulement d'accroître fortement le débit en ligne (ici une fibre optique), mais autorise l'existence de réseaux dont les fonctions sont assurées par voie optique. L'implantation de ces nouvelles architectures repose sur des composants clefs comme le filtre spectral accordable. Cette thèse a concerné l'étude théorique, la conception, la réalisation pratique et les perspectives d'application et d'amélioration d'un filtre accordable étroit intégré sur niobate de lithium et fonctionnant à une longueur d'onde proche de 1.55 μm. Nous avons tout d'abord comparé différents principes de filtre accordable intégré et avons retenu un dispositif fonctionnant entièrement par effet électrooptique qui présentait une vitesse de commutation élevée. Son fonctionnement est similaire à celui du filtre biréfringent de Šolc qui est constitué d'un convertisseur de polarisation sélectif en longueur d'onde placé entre polariseurs croisés. En approfondissant l'étude de la propagation de la lumière dans le filtre nous montrons que les irrégularités que présente la transmittance en intensité du dispositif sont dues à l'existence de variations anormales de la différence d'indice de phase dans le guide d'onde diffusé. Ces variations peuvent être reliées à des défauts dans le procédé de fabrication. Cette constatation nous amène à faire une étude théorique complète des effets de différents types de défauts dont on retrouve expérimentalement la trace sur le filtrage. Poussés par ces simulations, nous étudions en détail les différentes étapes du procédé technologique d'intégration sur niobate de lithium et en proposons des améliorations afin d'atteindre expérimentalement les caractéristiques théoriques du filtre. Finalement nous présentons des applications du filtre (laser à fibre accordable et modulable) et discutons de ses perspectives de développement (insensibilité à la polarisation).

Ces travaux de thèse se situent dans le domaine du multiplexage hyperfréquence pour les systèmes de télécommunication de Guerre Électronique. Ils s'inscrivent dans le cadre d'une étude portant sur la miniaturisation des solutions actuelles de multiplexage visant à réduire l'encombrement et donc le coût de fabrication de ce type de dispositifs Radar. L'objectif est donc de proposer une alternative aux technologies et architectures classiques de multiplexeurs qui, bien que performantes, pâtissent d'un encombrement et d'un poids prohibitifs pour les systèmes aéroportés du futur. Le multiplexage en fréquence permet un découpage d'un spectre électromagnétique en un certain nombre de bandes de fréquence (canaux) dont le nombre, la largeur et l'espacement dépendent de l'application visée. L'objectif de ces travaux est donc d'étudier la faisabilité d'un multiplexeur en technologie planaire, découpant la bande 2-18GHz en 16 canaux contigus. L'enjeu de cette étude concerne autant l'architecture globale du composant que le choix de la topologie des différents filtres qui le composent, afin de respecter un cahier des charges très contraignant en termes de performances électriques ou d'encombrement. La connexion et la cohabitation des différents filtres au sein du multiplexeur est également un paramètre critique de l'étude, et nécessite une attention particulière. Nous proposons ici un découpage en fréquence singulier impliquant l'utilisation d'une architecture originale de multiplexeur utilisant divers composants passifs tels qu'un diviseur de puissance de type Wilkinson, des duplexeurs ou encore plusieurs quadriplexeurs (banques de quatre filtres). Ces travaux ont donc été divisés en sous-blocs dont nous prouvons, pour chacun d'eux, la faisabilité en technologie planaire. Les duplexeurs utilisent une topologie originale dite " flèche " dont nous développons la synthèse et les quadriplexeurs HF sont basés sur la topologie DBR développée au laboratoire. Les quadripexeurs BF sont, quant à eux, basés sur différentes topologies large bande (interdigitée, à stubs CO ou CC). La validité de l'architecture globale proposée est également avérée. Au cours de cette thèse, divers outils d'aide à la conception des circuits hyperfréquences complexes ont été développés afin de simplifier au maximum le flot de conception classique et donc de diminuer les temps de réglage. Plusieurs réalisations et de nombreuses simulations électromagnétiques viennent étayer les résultats et confirmer l'acuité des outils utilisés.

La thèse porte sur l'impact d'optimisations algorithmiques pour la synthèse automatique HLS pour ASIC. Ces optimisations algorithmiques sont des transformations de haut niveau, qui de part leur nature intrinsèque restent hors de porter des compilateurs modernes, même les plus optimisants. Le but est d'analyser l'impact des optimisations et transformations de haut niveau sur la surface, la consommation énergétique et la vitesse du circuit ASIC. Les trois algorithmes évalués sont les filtres non récursifs, les filtres récursifs et un algorithme de détection de mouvement. Sur chaque exemple, des gains ont été possibles en vitesse et/ou en surface et/ou en consommation. Le gain le plus spectaculaire est un facteur x12.6 de réduction de l'énergie tout en maitrisant la surface de synthèse et en respectant la contrainte d'exécution temps réel. Afin de mettre en perspective les résultats (consommation et vitesse), un benchmark supplémentaire a été réalisé sur un microprocesseur ST XP70 avec extension VECx, un processeur ARM Cortex avec extension Neon et un processeur Intel Penryn avec extensions SSE.